[发明专利]基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置及成像方法

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达探测技术领域，特别涉及一种基于单像素激光雷达成像装置，可 用于目标三维点云模型获取、场景三维信息感知和室内环境扫描重建。

背景技术

激光雷达探测技术有助于提高感知周围三维环境的能力，该技术是利用激光测距技术 获得场景中各个对象的三维坐标信息，基于激光雷达探测技术的应用被广泛使用在军事和 民用领域，如激光雷达预警系统、无人驾驶汽车和室内精确定位等。传统的激光雷达存在 扫描生成的数据量大、三维信息处理运算复杂和面阵探测器成本高昂的问题，限制了其在 三维信息感知领域中的应用范围。因此，构建高效的、微型的、精确的激光雷达成像装置 就显得尤为重要。

目前，已有多种小型化的三维成像和感知方法与装置，包括微软公司的Kinect三维 体感装置、基于双目视觉或多视点的立体成像技术、线扫描激光雷达装置等。其中：

Kinect三维体感装置，主要集成了多个传感器，用于获得人体的手势、姿态等深度信 息，但是该装置不具备完整的三维场景感知能力，只能获得朝向方向的深度信息，且其成 像结果需要经过异源数据的融合处理，处理方法比较复杂。

基于双目视觉或多视点的立体成像方法是计算机图形学应用中的经典手段，都是通过 图像的方式保存目标在不同视角下的位置信息，通过特征点匹配的方法进行配准，在图像 /视频处理和计算机视觉领域中较为流行，但该方法需要对所有图像进行极线匹配，且对 成像装置需要进行精确定标，处理效率低下。

目前较为流行的线扫描激光雷达通过向三维场景发射激光光速并精确统计回波的时 间间隔，进而获得目标距激光雷达的距离，获得对周围环境的三维信息。但是线扫描激光 雷达装置需要让线阵探测器高速旋转扫描，因此对机械加工和装置稳定性要求较高，体积 较大，功耗较高，数据处理效率较低，很难适用于便携与小型的三维场景感知应用。

上述几种三维场景感知与探测方法的共同不足是：对周围三维场景的感知效率不高， 与小型化、智能化的激光雷达立体成像应用不兼容。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于嵌入式GPU的单像素激光 雷达成像装置及成像方法，以提高对场景三维信息获取的效率和点云数据的质量，并能兼 容激光雷达在小型化、智能化平台的应用。

本发明的技术通过将激光飞时单元探测器与两轴转台相结合，建立基于嵌入式GPU的 单像素激光雷达成像装置,其技术实现方案如下：

一种基于嵌入式GPU的单像素激光雷达成像装置，其特征在于，包括：

水平传动电机，用于带动激光测距传感器底座作水平轴向的运动；

激光测距传感器底座，用于带动单像素飞时激光测距传感器进行水平和垂直两个轴向 的运动；

单像素飞时激光测距传感器，固定在激光测距传感器底座上，用于收集水平和垂直两 个方向上空间的点云数据信息，将这些信息发送到嵌入式GPU底座中；

垂直传动电机，用于带动单像素飞时激光测距传感器作垂直轴向的转动；

嵌入式GPU底座，根据单像素飞时激光测距传感器输入的空间点云数据信息，通过多 线程并行处理方式完成对该点云数据的非线性曲面指数计算和均匀光滑曲面重建，并将重 建好的三维光滑曲面模型进行动态成像显示。

上述装置，其特征在于水平传动电机中设有扫描步长控制单元，用于通过接收来自嵌 入式GPU底座的指令控制水平传动电机的传动杆水平转动。

上述装置，其特征在于垂直传动电机与水平传动电机级联带动激光测距传感器底座做 水平和垂直两个轴向的转动，激光测距传感器采集周围环境到自身的距离信息，并将距离 信息构建成半球空间点云数据，最后通过接线将距离信息传入到嵌入式底座中。

上述装置，其特征在于嵌入式GPU底座中设有：

供电与数据指令传输单元，用于将水平传动电机、垂直传动电机和激光测距传感器连 接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供电电压；

嵌入式GPU板卡，用于接受来自激光测距传感器的半球空间点云数据并进行计算，得 到均匀的规则四边形模型网格，并保存成三维模型格式后输出给嵌入式GPU动态渲染单 元。

嵌入式GPU动态渲染单元，用于将嵌入式GPU板卡中的三维几何模型作为输入，对三 维几何模型进行着色处理，动态地显示三维图像。

本发明利用所述装置进行成像的方法，包括：

1)利用嵌入式GPU板卡控制水平和垂直转动的两个传动电机按顺序启动，进行激光 扫描；

2)采集激光传感器到周围环境点的距离信息；